Wie der Katalysator den Verbrennungsmotor rettete?

Der Katalysator ist eine Nachbehandlungseinrichtung zur Emissionskontrolle, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide im Abgas durch chemische Reaktionen in harmlose Verbindungen umwandelt und seit 1975 dafür sorgt, dass der Verbrennungsmotor die durch Abgasemissionsgesetze vorgegebenen Grenzwerte einhält. Als der US Clean Air Act in den 1970er Jahren eine vollständige Neukonstruktion des Motors erzwingen wollte, war dieser kleine Keramikzylinder der praktischste Weg, die Frist einzuhalten; tatsächlich war das Ergebnis jedoch der Ausgangspunkt einer Technologiekette, die vom Tod des Vergasers bis zur elektronischen Benzineinspritzung reichte.

Verschmutzte Städte und die 90%-Reduzierungs-Frist

Ende der 1960er Jahre hatte sich die Luftqualität in amerikanischen Städten durch das Wachstum des motorisierten Verkehrs messbar verschlechtert. Der Smog in Los Angeles war der erste große Fall, der zeigte, dass es möglich war, die Ursachen des Problems einzeln zu bestimmen, und Kalifornien wurde Ende der 1960er Jahre zum ersten Bundesstaat, der Abgasemissionsvorschriften erließ. 1967 wurden die landesweiten Bemühungen unter ein Dach zusammengefasst; die institutionelle Infrastruktur stand, doch der eigentliche Wendepunkt sollte auf Bundesebene kommen.

Der Clean Air Act von 1970 wurde mit einem technisch kühnen Wagnis geschrieben: Der Kongress verlangte, dass Automobile bis zum Modelljahr 1975 ihre Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und NOx-Emissionen um 90% reduzieren. Der bezeichnende Umstand dabei war, dass die Entscheidungsträger wussten, dass die Technologie, die diese Reduzierung ermöglichen würde, noch nicht existierte. Das Gesetz war nicht das Werk des Ingenieurwesens, sondern einer Regulierungsphilosophie, die erst das Ziel setzte und die Lösung danach erzwingen wollte. Kaliforniens früherer staatlicher Grundsatz hatte den Boden für diesen Ansatz des Kongresses bereitet.

Um den Umfang zu begreifen, genügen ein paar Zahlen: Unkontrollierte Fahrzeuge produzierten etwa 90 Gramm CO pro Meile, die Modelle von 1974 hatten dies auf 28 Gramm gesenkt, und das Ziel für 1975 lag bei 15 Gramm pro Meile. Europa hingegen sollte erst 1992 eine ähnliche Regelung einführen. Die Fahrzeughersteller betrachteten die Investition in Nachbehandlungstechnologie als schnelleren und risikoärmeren Weg als eine radikale Überholung des Motors selbst: Der Vorteil des Konverters bestand darin, dass er ohne grundlegende Änderungen am Motor design in die Abgasanlage integriert werden konnte.

Die lange Entwicklungslinie des Konverters

Das Gerät wurde 1975 nicht plötzlich erfunden. Die ersten Prototypen wurden Ende des 19. Jahrhunderts in Frankreich entworfen; es waren Strukturen mit Platin-Rhodium-Palladium-Beschichtung und doppelten metallischen Zylindern. Die bedeutendste Person, die die Idee in Richtung Serienproduktion voranbrachte, war jedoch der französische Maschinenbauingenieur Eugene Houdry wurde. Houdry, der in den 1930er Jahren das katalytische Cracking erfand und in die USA auswanderte, begann Anfang der 1950er Jahre sich mit dem Smog in Los Angeles zu beschäftigen, gründete die Oxy-Catalyst Company und entwickelte Konvertoren für Kaminöfen und Gabelstapler, bevor er Mitte der 1950er Jahre sein Patent für den Einsatz im Automobil erhielt.

Das Hindernis für Houdry war nicht die Technologie, sondern der Kraftstoff selbst: Tetraethylblei überzog die Katalysatoroberfläche und machte das Gerät funktionsunfähig; in der Sprache der Ingenieure Katalysatorvergiftung. Deshalb wandte sich Houdry vom Automobil ab und den industriellen Anwendungen zu. Die Geburt des Automobilkonvertors stand also in derselben Gleichung wie das Todesurteil für verbleiten Kraftstoff; die einem eingeräumte Frist bestimmte das Schicksal des anderen.

Die Serienfertigung wurde mit dem Aufeinandertreffen zweier unterschiedlicher industrieller Kompetenzen vollendet. Bei Engelhard entwickelten Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar und Phillip Messina den ersten Serienkonvertor 1973 . Auf der Seite der Glastechnologie erfanden Rodney Bagley, Irwin Lachman und Ronald Lewis bei Corning Glass das Cordierit-Keramik-Monolith-Substrat, das dem Katalysator als Träger diente; diese drei Namen wurden 2002 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Chrysler reichte der EPA Testdaten mit Engelhards Prototypfahrzeugen mit Doppelkonvertoren und war eine der ersten Marken, die mit dem Modelljahr 1975 auf die Bühne trat.

Ende des Verbleiten Benzins: Der Preis des Konvertors

Es galt eine Gleichung, die entgegen der des Lastwagens funktionierte: Verbleiter Kraftstoff wurde zunächst weniger aus Gesundheitsgründen abgeschafft, sondern weil er die Konvertoren beschädigte. Die Bleireduzierung begann 1974 aufgrund der Ermächtigung durch die Änderungen des Clean Air Act, und ab dem Modelljahr 1975 war verbleiter Kraftstoff in Fahrzeugen mit Konvertor verboten. Für unseren Tank und die Zapfsäule bedeutete dies praktisch eine zweite Revolution; bleifreier Kraftstoff erforderte eine umfassendere Weiterverarbeitung, als es die Raffinerien gewohnt waren, die die Oktanzahl mit Blei erhöhten. Die Kraftstoffformel war zu einem Systembaustein geworden, der sich gleichzeitig mit dem Motordesign änderte.

Der Übergang war nicht vollständig: Für alte Fahrzeuge ohne Konvertor konnte verbleiter Kraftstoff bis 1995 verkauft werden; zu diesem Zeitpunkt verhängten die Änderungen des Clean Air Act ein vollständiges Verbot von verbleitem Kraftstoff in Fahrzeugen. Den gesellschaftlichen Ertrag dieses Übergangs fasst eine einzige Messung zusammen: Nach der Bleireduzierung wurde ein Rückgang von 88% bei dem Anteil der Kinder mit hohen Blutbleiwerten verzeichnet. Die Kette, die von der Emissionsregulierung über den Auspuff bis zur öffentlichen Gesundheit reicht, zeigte ihr konkretestes Ergebnis beim Output der Erdölraffinerie.

Die Lambdasonde und die Geburt der Closed-Loop-Regelung

Um das volle Potenzial des Drei-Wege-Katalysators (TWC) auszuschöpfen, war eine weitere Komponente neben dem Konvertor selbst erforderlich. Der TWC wandelt alle drei Schadstoffe nur dann effizient um, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem sehr schmalen Band um den stöchiometrischen Punkt befindet; ist das Gemisch mager, sinkt die NOx-Reduzierung, ist es fett, sinkt die CO- und Kohlenwasserstoffoxidation. Ein Vergasermotor konnte diese Präzision nicht gewährleisten, daher wurde bei den ersten Fahrzeugen mit Konvertor der Sauerstoff im Abgas als Ergänzung Sekundärlufteinblasung verwendet.

Die Lösung war eine im Abgastrakt platzierte Sauerstoffsonde: ein Bauteil, das in der Automobilwelt als Lambdasonde bekannt ist und seinen Namen vom Luft-Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis λ erhält. Das Funktionsprinzip ist denkbar einfach; sieht die Sonde Sauerstoff im Abgas, ist das Gemisch mager, sieht sie keinen, ist es fett. Das ECU (Elektronische Steuergerät) passt die Kraftstoffzufuhr entsprechend diesem Signal an und hält das Verhältnis am stöchiometrischen Punkt. Sauerstoffsonden ermöglichten durch die präzise Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine echte geschlossene Emissionsregelung; in den ersten Fahrzeugen mit Sonde gab es nur eine einzige Sonde.

Der moderne Motor hat diese Architektur auf die Spitze getrieben. Die elektronische Kraftstoffeinspritzung erzeugt ein präzises Gemisch, das ständig zwischen mager und fett schwankt; die zwei Sauerstoffsonden vor und hinter dem Konverter liefern dem ECU einen kontinuierlichen Datenstrom, und eine Lufteinblasung ist nicht mehr erforderlich. Die einzige Ausnahme ist eine bewusste Ingenieursentscheidung: Bei hoher Last und maximaler Leistung wird die geschlossene Regelung ausgesetzt und ein fettes Gemisch angesteuert. Die Lambdaschleife ist also ein Schutzbereich, der für die Leistung absichtlich unterbrochen werden kann.

Von Zweiweg zu Dreiweg: Die Dreifache pollutantenfalle

Die erste Konvertergeneration war zweiwegfähig: Sie oxidierte Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu CO2 und Wasser, konnte aber NOx nicht im Geringsten beeinflussen. In den 1970er Jahren wurden Zwillingskatalysatorsysteme für NOx entwickelt; eine Rhodium-Platin-basierte Reduktionseinheit und eine Palladium-Platin-basierte Oxidationseinheit wurden hintereinander angeordnet. Das System funktionierte, war aber voluminös und teuer. Der eigentliche Sprung kam mit dem Dreiwegekatalysator: die gleichzeitige Umwandlung von NOx, HC und CO in einem einzigen Gerät.

Der kommerzielle Zeitplan war schnell. Volvo brachte 1977 mit der 1977er Modellversion Volvo 240 die erste kommerzielle TWC-Anwendung auf den Markt; das Modelljahr 1981 erfüllten fast alle Hersteller die bundesstaatlichen NOx-Anforderungen mit einem Dreiwegekatalysator. Toyota setzte 1978 Japans ersten Pellet-Dreiwegkonverter ein und entwickelte den weltweit ersten TWC mit Sauerstoffspeicher; Keramik- und Sauerstoffspeicher-Promotoren wie Cer/Cer-Zirkon-Verbindungen lockerten die Schmalbandtoleranz etwas und erleichterten so das Funktionieren des Systems. 1978 eingesetzt und entwickelte den weltweit ersten TWC mit Sauerstoffspeicher; Keramik- und Sauerstoffspeicher-Promotoren wie Cer/Cer-Zirkon-Verbindungen lockerten die Schmalbandtoleranz etwas und erleichterten so das Funktionieren des Systems.

Bremst der Konverter wirklich Leistung?

Genau das war 1975 das Hauptargument der Skeptiker: ein zusätzlicher Abgaswiderstand, der dem Motor die Luft zum Atmen nimmt. Die historischen Aufzeichnungen liefern keine quantitativen Angaben dazu, wie viele PS dieser ersten Generation verloren gingen; dass der Konverter jedoch ohne Eingriff in das grundlegende Motordesign an die Abgasanlage angefügt werden konnte, war die vernünftigste ingenieurtechnische Entscheidung jenes Jahres. Die folgenden Jahrzehnte sollten die Skeptiker im Gegenteil recht geben: Mit der Kombination aus geschlossener Kraftstoffregelung, präziser Einspritzung und einem in engem Bereich arbeitenden TWC erreichen moderne Motorkonstruktionen gleiche oder höhere Leistung mit weniger Kraftstoff als frühere Generationen. Die Nachbehandlungstechnologie im Abgasstrang wurde zum natürlichen Partner des Effizienziels.

Heute sieht die Tabelle bei Defekten anders aus und ist in den Quellen des technischen Dienstes zu finden: Ein verstopfter oder defekter Konverter macht sich durch Leistungsverlust, nachlassende Beschleunigung und verschlechterten Kraftstoffverbrauch bemerkbar. Ein gesunder Konverter hingegen ist stumm; er kann sogar nicht nur zum Emissionsziel, sondern auch zur Motoreffizienz beitragen. Die Funktionsphysik wird entsprechend ausgelegt: Der Konverter muss die etwa 400 °C betragende Arbeitstemperatur (light-off) erreichen; deshalb wird er so nah wie möglich am Motor montiert oder zusätzlich als Pre-Cat eingebaut.

Nach dem Abgasstrang: Die Dieselära und die Probleme von heute

Das Duo aus Regulierung und Technik ließ die Nachbehandlungstechnologie nie ruhen. Auf der Diesel-Seite wurden Partikelfilter (DPF) 1. Januar 2007 für alle nach diesem Datum produzierten Pkw-Diesel verpflichtend; 2010 rüsteten die meisten Hersteller leichter Nutzdiesel in den USA SCR-Systeme zur NOx-Reduktion nach, und diese auf Harnstoff (DEF) basierende Architektur wurde zur Standardausstattung. Jeder Schritt folgte dem Muster, das der benziner TWC etabliert hatte: zuerst eine gesetzliche Grenze, dann eine chemische Lösung, danach eine Sensor- und Steuerungsarchitektur, die diese Lösung speist.

Die 55-jährige Bilanz des Clean Air Act ist konkret messbar: dauerhafte Verbesserung der Fahrzeugemissionen, vollständiger Ausstieg aus verbleitem Benzin, Intervention bei den Problemen des sauren Regens und der Ozonschicht und bei einem der Schadstoffe eine Reduzierung von 78%. Ein gegenteiliges Ergebnis gibt es auch: Der Anstieg der Edelmetallpreise hat den Diebstahl von Katalysatoren vergrößert, die zum Ziel der Metalle der Platingruppe geworden sind; der inflationsbereinigte Platinpreis stieg von etwa 800 Dollar/Unze im Jahr 1986 auf 1.400 Dollar/Unze, und gestohlene Katalysatoren können für bis zu 150 Dollar an Schrottplätze verkauft werden. Die Komponente, deren Motor er 1975 rettete, ist also heute selbst auf physischen Schutz angewiesen.

Letztlich rettete der Katalysator den Verbrennungsmotor 1975 vor dem rechtlichen Untergang; aber wichtiger noch: Er führte den Motor von der mechanischen Welt des Vergasers in die geschlossene Welt der Sensoren und der ECU. Das Reduktionsziel von 90% erschien wie ein Glücksspiel, doch der Preis dafür war verbleites Benzin, und der Rest wurde zu einer Effizienzgeschichte, die seit einem halben Jahrhundert andauert.

Quellen

• Clean Machine - Science History Institute
• Catalytic converter - Wikipedia
• Clean Air Act Requirements and History - EPA
• Gasoline and the Environment: Leaded Gasoline - U.S. EIA
• The History of the Clean Air Act and Corning's Role - Corning
• Catalytic Converter: Big 'If' of 1975 - The New York Times (1974)
• Evaluation of a 1975 Prototype Chrysler Passenger Car - EPA NEPIS
• The Evolution of Catalytic Converters - Royal Society of Chemistry
• 75 Years of Toyota - Catalytic Converters
• Oxygen Sensor History - Walker Products
• Oxygen sensor - Wikipedia
• Evolution of the Catalytic Converter - Walker Exhaust
• The US Experience with the Phasedown of Lead in Gasoline - MIT
• Phasing Out Leaded Gasoline - WorstPolluted.org
• Twenty-Five Years of the Clean Air Act in Perspective - Oklahoma Law Review
• 55 Years of the Clean Air Act - Clarity.io
• History - California Air Resources Board